Transcript 高聚物的电学性质
高聚物的电学性能 工程应用 电容器 仪表绝缘 无线电遥控 纺织化工 介电损耗尽可能小，介电常数尽可能大，介电强度很高 电阻率和介电强度高而介电损耗很低绝缘材料 优良的高频、超高频绝缘材料 具有一定的导电性 高聚物的室温电导率 绝缘体 半导体 10－14 10－12 10－10 10－8 10－6 10－4 10－2 聚 四 氟 乙 烯 尼 龙 顺 式 聚 乙 炔 反 式 聚 乙 炔 0 金属 102 掺 杂 聚 苯 胺 104 掺 杂 聚 吡 咯 106 108 取 向 杂 化 聚 乙 炔 1010 1012 1014 1014 1014 σ / (S/m) 一、基本概念 二、聚合物的导电性及高聚物的静电现象 一、基本概念 高聚物的电学性质 指聚合物在外加电压或电场作 用下的行为及其所表现出来的 各种物理现象。 介电性质：交变电场中 导电性质：弱电场中 击穿现象：强电场 聚合物表面：静电现象 介电常数 介电损耗 介电击穿 表面束缚电荷 介电常数：无因次的纯数，表征电介质 贮存电能能力的大小，是衡量介质在外 电场中极化程度的宏观物理量。 介质的电容率：表示单位面积和电网 厚度电介质的电容值，单位为 法拉/ 米 电介质的极化现象 高分子电介质的极化现象 电子极化 原子极化 取向极化 原子的价电子云 分子骨架 位移极化 /变形极化 极性分子沿电场方向排布取向 诱导偶极矩 偶极极化 e电子 a原子 μ取向 α极化率 El 作用在分子上的局部电场强度 μ 偶极矩 极性分子取向极化作用示意图 无电场时 有电场时 电场强度、温度很低 高分子电介质的极化现象 电子极化 原子极化 取向极化 原子的价电子云 分子骨架 位移极化 /变形极化 极性分子沿电场方向排布取向 诱导偶极矩 偶极极化 e电子 a原子 μ取向 α极化率 El 作用在分子上的局部电场强度 μ 偶极矩 高聚物介电常数与高分子结构的关系 主要决定因素 分子极性大小 高聚物介电常数与高分子结构的关系 主要决定因素 分子极性大小 极性基团在分子链上的位置 主链 侧基 分子结构的对称性 交联、拉伸、支化 介电常数 介电损耗 介电击穿 介电损耗：电介质在交变电场中，由于消耗一部分电能，使介质本 生发热的现象。 产生原因： 1 电介质中含有能导电的载流子，其在外加电场的作用下，产生电导 电流，消耗掉一部分能量，转化为热能——电导损耗。 2 电介质在交变电场下的极化过程中，与电场发生能量交换 松弛损耗：取向过程为一松弛过程，电场使偶极子转向时，一 部分电能损耗与克服介质的内粘滞阻力上，转化为热量。 共振吸收：变形极化为一种弹性过程或谐振过程，党电场的频 率与原子或电子的固有振动频率相同时发生。 介电损耗的表征： Tgδ 介电损耗角正切 表征材料介电损耗大小的物理量。 物理意义：每周期内介质损耗的能量与介质贮存的能量的比值。 影响介电损耗的因素 分子结构 外加频率 温度 电压 增塑剂 杂质高聚物 分子极性大小 极性基团密度 极性基团的可动性 影响介电损耗的因素 介电常数大而介电损耗不大 影响介电损耗的因素 分子结构 外加频率 温度 电压 增塑剂 杂质高聚物 影响介电损耗的因素 分子结构 外加频率 温度 电压 增塑剂 各种频率下介电常数和介电损耗与温度的关系 杂质高聚物 T变化 η变化 极化过程需要时间变化 影响介电损耗的因素 分子结构 外加频率 温度 电压 Tgδ 增塑剂 杂质高聚物 影响介电损耗的因素 分子结构 外加频率 温度 电压 增塑剂 非极性增塑剂 极性增塑剂 杂质高聚物 影响介电损耗的因素 非极性增塑剂 影响介电损耗的因素 极性增塑剂 影响介电损耗的因素 影响介电损耗的因素 分子结构 外加频率 温度 电压 增塑剂 杂质高聚物 导电杂质、极性杂质 水 Tgδ 高聚物的介电松弛谱 介电损耗温度谱示意图 非晶态聚合物 α 链段 βγ 1 极性侧基绕C－C的旋转 2 环单元的构象振荡 3 主链局部链段的运动 部分结晶聚合物 结晶区 非晶区 α 链段 βγ 1 极性侧基绕C－C的旋转 2 环单元的构象振荡 3 主链局部链段的运动 晶区： 1 晶区中高分子的链段的运动 2 结晶表面上的局部链段运动 3 晶格缺陷处的基团运动 固体高聚物的介电松弛过程 介电常数 介电损耗 介电击穿 介电击穿：在高压下，大量的电能迅速释放，使电极之间的 材料局部被烧毁的现象。 形成机理： 本征击穿 热击穿 放电击穿 二、聚合物的导电性及高聚物的静电现象 1 高聚物的导电特点 2 表面电阻率和体积电阻率 3 高聚物的导电性与分子结构的关系 4 影响高聚物导电性的因素 5 高聚物的静电现象 6 静电的危害与防止 1 高聚物的导电特点 绝缘体 半导体 导体 电子导电 电子 空穴 离子导电 正离子 负离子 导电机理 共轭聚合物 电荷转移络合物 自由基－离子化合物 有机金属聚合物 强极性原子或基团的聚合物 催化剂、添加剂、水份等 1 高聚物的导电特点 离子导电 离子的迁移 电子导电 电子的“跃迁” P 自由体积 二、聚合物的导电性及高聚物的静电现象 1 高聚物的导电特点 2 表面电阻率和体积电阻率 3 高聚物的导电性与分子结构的关系 4 影响高聚物导电性的因素 5 高聚物的静电现象 6 静电的危害与防止 2 表面电阻率和体积电阻率 单位：欧姆 表面电阻率是沿试样表面电流方向的直流 场强与该处单位长度的表面电流之比。 单位：欧·米 体积电阻率是体积电流方向的直流场强与 该处体积电流密度之比。 二、聚合物的导电性及高聚物的静电现象 1 高聚物的导电特点 2 表面电阻率和体积电阻率 3 高聚物的导电性与分子结构的关系 4 影响高聚物导电性的因素 5 高聚物的静电现象 6 静电的危害与防止 3 高聚物的导电性与分子结构的关系 饱和非极性高聚物 本身电绝缘性优异、外带杂质 聚苯乙烯、聚乙烯 极性高聚物 本征电离 聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈、聚氯乙烯 共轭高聚物 电子离域 碳纤维 电荷转移络合物 电子转移 自由基－离子化合物 电子迁移 有机金属聚合物 电子电导 二、聚合物的导电性及高聚物的静电现象 1 高聚物的导电特点 2 表面电阻率和体积电阻率 3 高聚物的导电性与分子结构的关系 4 影响高聚物导电性的因素 5 高聚物的静电现象 6 静电的危害与防止 4 影响高聚物导电性的因素 1 分子结构 2 分子量 3 结晶与取向 4 交联 5 杂质 6 环境湿度 7 材料表观结构 二、聚合物的导电性及高聚物的静电现象 1 高聚物的导电特点 2 表面电阻率和体积电阻率 3 高聚物的导电性与分子结构的关系 4 影响高聚物导电性的因素 5 高聚物的静电现象 6 静电的危害与防止 4）静电产生的原因： + + - - 接触前的 电中性结 构 +- +- 接触介面 的“双电 层结构” + - 摩擦分离 后的带电 结构 5 高聚物的静电现象 玻璃纤维 正 摩擦产生热量，加速电子运动，静电现 象更为严重。 羊毛 锦纶 粘胶 介电系数高 的带正电 棉 蚕丝 PVA 介电系数低 的带负电 涤纶 PAN PE PTFE 负 二、聚合物的导电性及高聚物的静电现象 1 高聚物的导电特点 2 表面电阻率和体积电阻率 3 高聚物的导电性与分子结构的关系 4 影响高聚物导电性的因素 5 高聚物的静电现象 6 静电的危害与防止 抗静电机理： 1）离子导电 2）电子导电 防止静电的产生 加速积聚电荷的泄漏 1）纤维上油 2）提高纤维的亲水性 3）提高纤维或织物的导电性 4）不同纤维的混纺 化学改性 复合纺丝技术 表面涂覆 共混纺丝技术